3545

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и

радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к практическим занятиям для студентов направления

«210100.62 – Электроника и наноэлектроника» (профиль - Промышленная электроника)

2013

Аксенов, Александр Иванович

Вакуумная и плазменная электроника = Вакуумная и плазменная электроника: методические указания к практическим занятиям для студентов направления 210100.62 – Электроника и наноэлектроника (профиль – Промышленная электроника) / А.И. Аксенов; Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Кафедра электронных приборов. - Томск: ТУСУР, 2013. - 36 с.

Материал пособия поможет в закреплении теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9); готовность выполнять расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10); способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).

Пособие предназначено для студентов очной формы, обучающихся по направления 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» (профиль – Промышленная электроника) по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника».

© Аксенов Александр Иванович, 2013

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Кафедра электронных приборов

УТВЕРЖДАЮ Зав.кафедрой ЭП

________С.М. Шандаров

«___» ________ 2013 г.

ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к практическим занятиям для студентов направления

210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» (профиль – Промышленная электроника)

Разработчик Доцент каф. ЭП

______ А.И. Аксенов

«____»__________2013 г

2013

4

Введение

Материал пособия должен помогать закреплению теоретических знаний, а также вырабатывать навык в решении практических вопросов и задач.

В результате решения задач студент приобретает способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК-9); готовность выполнять расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10); способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).

Прежде чем решить задачу или ответить на поставленный вопрос, надо понять их сущность, физический смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические решения следует проводить, используя общеизвестные физические законы, физические постоянные и физические системы единиц. Сначала надо написать исходные формулы, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и найти результат. Помните, что все физические величины в формуле должны быть в одной системе единиц. Не забывайте в ответе давать размерность полученной величины.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать до третьего знака, а в ряде случаев и до второго.

Полученный в виде числа ответ надо постараться проверить какимлибо способом. Полезно обратиться к справочной литературе и сравнить полученную величину с известными подобными величинами в справочнике. Если отличие в несколько порядков, то ищите ошибку в своем решении.

Ответы на вопросы следует давать кратко, но ясно и точно.

5

Практическое занятие 1. Термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия, вторичная эмиссия

1.1Примеры решения задач по термоэлектронной эмиссии

Зад ач а 1 . Определить плотность тока термоэмиссии (в А/м2), если материал термокатода имеет эффективную работу выхода эфф 1,5 эВ,

температура катода Tк 900 К, проницаемость потенциального барьера

D0,95 .

Ре ше н ие . Плотность тока термоэмиссии можно определить, используя уравнение Ричардсона-Дэшмана:

e 1,6 10 19 Кл – заряд электрона;

k1,38 10 23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Зад ач а 2 . Определить эффективную работу выхода материала термокатода эфф , если температура катода Tк 900 К, проницаемость

Для определения эфф используем уравнение Ричардсона-Дэшмана:

Дж = 1,5 эВ.

Постоянные представлены в задаче 1.

1.2Примеры решения задач по фотоэлектронной эмиссии

З ад ач а 3 . Найти максимальную энергию (в эВ), выходящих с поверхности фотокатода под действием монохроматического пучка света с длиной волны 2 10 7 м, если эффективная работа выхода фотокатода

эфф 0,5 эВ.

Р е ше н ие . Фотон имеет энергию h и, попадая на фотокатоду, всю энергию отдает электрону в кристалле. Электрон, получив энергию h , покидает кристалл фотокатода, если этой энергии достаточно для выхода. При выходе из кристалла электрон теряет энергию, равную эффективной

З ад ач а 4 . Электрон фотокатода получил энергию кванта, покинул кристалл и имеет энергию в вакууме 5,7 эВ. Эффективная работа выхода фотокатода эфф 0,5 эВ. Какой станет энергия электрона в вакууме (в эВ),

если длину волны кванта увеличить в 5 раз.

Ре ш е н и е . Энергию кванта можно найти из уравнения: h h c mv2 2 эфф 5,7 0,5 6,2 эВ.

При увеличении длины волны в 5 раз энергия кванта уменьшается в 5 раз и становится равной 1,24 эВ.

Теперь можно найти энергию электрона в вакууме:

7

hc эфф 1, 24 0,5 0,74 эВ.

1.2Примеры решения задач по вторичной эмиссии

Зад ач а 5 . Динод имеет коэффициент вторичной эмиссии 3,5. На этот электрод падает поток первичных электронов, и во внешней цепи

электрода протекает ток I 5 мА. Каким станет этот ток (в мА), если

2?

Ре ше н ие . Динод (вторичный электрод) в приборах предназначен для того, чтобы умножать ток первичных электронов. Первичные электроны падают на поверхность динода, выбивают вторичные электроны, которые все уходят на следующий динод. Ток в цепи динода можно записать:

I g Ie2 Ie1, а Ie2 Ie1 ;

I g Ie1( 1) , 5 Ie1(3.5 1) ;

Ie1 2 мА, Ie2 Ie1 7 мА,

где – коэффициент вторичной эмиссии; Ie1 – ток первичных электронов;

Ie2 – ток вторичных электронов; I g – ток динода.

Если 2, то I g 2 (2 1) 2 мА.

З ад ач а 6 . Диод работает в режиме насыщения. На анод падает

поток первичных электронов, то во внешней цепи анода Ia 1 мА, при

этом коэффициент вторичной эмиссии материала анода 3. Определить ток первичных электронов.

Ре ш е н и е . Диод – это прибор, в котором два электрода: катод и анод. Режим насыщения в диоде, когда все электроны, вышедшие из катода, ускоряются полем анода и приходят на анод, вызывая появление тока первичных электронов. Вторичные электроны, покинув анод, попадают в ускоряющее поле анода и захватываются им снова. Поэтому ток во внешней цепи анода будет определяться потоком первичных электронов:

Ia Ie1 1 мА.

8

Практическое занятие 2. Диодный промежуток, вакуумный и ионный фотоэлемент, многокаскадные ФЭУ.

Практическое занятие 3. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

Практическое занятие 4. Отклоняющие и фокусирующие системы, токопрохождение в ЭЛТ

Практическое занятие 5. Тлеющий разряд

Задачи для проработки тем

Задача 1

В диоде Tk 1700K . На анод подано напряжение Ua и ток в цепи анода Ia возрос в 1,2 раза ( dak 0.6см ).

Определить:

1)какое напряжение подали на анод;

2)как изменился потенциальный барьер;

3)как изменится ток Ia , если возрастает в 4 раза.

Задача 2

Термокатод работает при Tk 1200K , имеет Uэфф 2,2эВ . За счет

электронного поля потенциальный барьер понижается на 0,2эВ . Определить плотность тока термоэмиссии с электрическим полем и без него, величину этого поля.

Задача 3

0,1эВ , 1. Определить Ua и Ia при этом.

9

Задача 4

Вдиоде Tk 1700K . На анод подано напряжение Ua , плотность тока

скатода возросла на 10% ( dak 0.5см ).

Определить:

1)какое напряжение подали на анод;

2)как изменился потенциальный барьер после подачи напряжения;

3)как изменится ток Ia , если возрастает в 6 раз.

эфф 1,5эВ .

Задача 10

При какой напряженности электрического поля можно получить плотность тока эмиссии 103 А м2 , если Tk 1800K , а эфф 2,8эВ . На сколько электрон-вольт изменится при этом работа выхода?